一種射頻MEMS開關(guān)高平整度犧牲層的制備方法

高躍升， 薛鵬飛， 王俊強(qiáng),4， 吳倩楠， 陳 鴻， 李孟委,

(1. 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 山西省計(jì)量科學(xué)研究院， 山西 太原 030032；3. 中北大學(xué)南通智能光機(jī)電研究院， 江蘇 南通 226000； 4. 中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院， 山西 太原 030051)

0 引 言

RF MEMS開關(guān)由于其低損耗、 高隔離、 小體積、 易集成、 線性度良好等優(yōu)點(diǎn)， 有望取代傳統(tǒng)的PIN或FET等微波固態(tài)開關(guān)， 在通信領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[1-3]. 常見的RF MEMS開關(guān)分為串聯(lián)接觸式開關(guān)和并聯(lián)電容式開關(guān)， 串聯(lián)接觸式開關(guān)通常采用懸臂梁作為上電極， 并聯(lián)電容式開關(guān)采用固支梁作為上電極[4-6]. 然而， 無論是是懸臂梁還是固支梁都是懸空結(jié)構(gòu)， 在制作過程中， 其關(guān)鍵技術(shù)都是犧牲層的制備及釋放[7-8].

常用的犧牲層材料包括SiO2、 光刻膠、 聚酰亞胺， PMMA 和金屬等. 目前廣泛使用的犧牲層材料是SiO2， 但是其臺階覆蓋能力很差， 而且SiO2通常需要濕法蝕刻才能釋放結(jié)構(gòu)， 很容易發(fā)生粘連問題， 導(dǎo)致開關(guān)失效[9-10]. 金屬是另一種常用的犧牲層材料， 但是金屬作為犧牲層材料也需要濕法腐蝕來釋放結(jié)構(gòu)， 同樣面臨著粘連的問題[11-12]. 另外， 當(dāng)采用金屬作為犧牲層材料時(shí)， 可能發(fā)生金屬原子互相擴(kuò)散， 在兩個(gè)金屬層的界面上形成固溶體， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層的表面受到損害.

聚酰亞胺是一種合適犧牲層材料， 因?yàn)榫埘啺凡捎醚醯入x子體干法刻蝕來釋放得到結(jié)構(gòu)， 可以避免濕法腐蝕帶來的一系列問題[13]. 但是， 聚酰亞胺作為犧牲層同樣存在臺階覆蓋率差的問題. 由于懸臂梁的加工是在犧牲層材料上實(shí)現(xiàn)的， 所以犧牲層材料的平坦度對懸臂梁的平整度有巨大影響. 犧牲層圖形是在信號線以及驅(qū)動(dòng)電極圖形上加工的， 多層薄膜疊加的臺階加大了犧牲層平整度的難度. 本文以懸臂梁式開關(guān)為例， 圖 1 顯示了MEMS開關(guān)旋涂犧牲層時(shí)臺階處的的側(cè)面剖視圖， 如圖所示， 理想中的犧牲層旋涂效果如圖 1(a) 所示， 犧牲層表面平坦， 但是實(shí)際的旋涂效果如圖1(b)所示， 信號線和驅(qū)動(dòng)電極以及襯底形成的臺階差導(dǎo)致旋涂的聚酰亞胺犧牲層表面平坦度極差. 圖2(a)為臺階處的正面照片， 圖 2(b) 為因犧牲層平整度差而加工失敗的MEMS開關(guān)上電極光學(xué)照片. 從圖中可以看出， 由于犧牲層平整度差， 上電極嚴(yán)重變形， 開關(guān)加工失敗. 因此， 如果采用聚酰亞胺作為犧牲層材料， 改善其平整度是非常有必要的.

針對聚酰亞胺犧牲層平坦化的問題， 目前合適的方法有自然平流法， 接觸平坦化法以及CMP法等. 接觸平坦化主要用于IC制造中介質(zhì)層的平坦化， 其方法是利用具有光學(xué)平整度表面的石英壓盤均勻擠壓聚酰亞胺， 實(shí)現(xiàn)平坦化. 但是接觸平坦化法在實(shí)施過程中， 膠面容易出現(xiàn)氣泡和皺褶[14-15]. CMP法對拋光設(shè)備的精度要求很高， 而且對聚酰亞胺的材質(zhì)也有一定的要求， 否者會在聚酰亞胺表面造成大量的劃痕. 自然平流法最易實(shí)現(xiàn)， 可以較好地解決犧牲層平坦化的問題. 旋涂聚酰亞胺后自然水平放置一段時(shí)間， 利用聚酰亞胺液體本身的流動(dòng)性使其進(jìn)一步流平， 降低臺階差. 但是若要達(dá)到最佳效果， 自然平流法所需時(shí)間很長， 會極大地拉長加工周期. 本文針對上述問題， 通過采用改進(jìn)后的自然平流法和雙層犧牲層的方法， 極大地提高了聚酰亞胺犧牲層的平坦度， 縮短了工藝時(shí)間， 可以應(yīng)用于MEMS開關(guān)的制作.

圖 1 MEMS開關(guān)旋涂犧牲層側(cè)面剖視圖Fig.1 Side view of a MEMS switch spin-coated sacrificial layer

圖 2 犧牲層平坦度差導(dǎo)致的上電極結(jié)構(gòu)變形Fig.2 Deformation of the upper electrode structure caused by the poor flatness of the sacrificial layer

1 自然平流法的改進(jìn)

針對自然平流法存在的耗時(shí)時(shí)間長的問題， 對自然平流法做出了改進(jìn). 溫度是影響聚酰亞胺流動(dòng)的重要因素， 在不同的溫度下， 液態(tài)聚酰亞胺的流動(dòng)速度不同. 經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)， 型號為PI-306的聚酰亞胺在50 ℃時(shí)具有最佳的流動(dòng)速度. 如圖1(b)所示， 以信號線和驅(qū)動(dòng)電極上的聚酰亞胺的臺階差H的大小作為衡量聚酰亞胺表面平整度的方法. 選擇10個(gè)具有相同臺階差的晶圓(臺階高度為2.2 μm)分成AB兩組并旋涂聚酰亞胺， 然后分別在不同的溫度下平流不同的時(shí)間， 記錄預(yù)固化之后的臺階差H的高度. 下面介紹具體實(shí)驗(yàn)方法.

1) 旋涂前一天將冷藏的聚酰亞胺取出并常溫靜置18 h以上. 旋涂前將晶圓置于氧等離子體中轟擊5 min， 并在110 ℃熱板加熱90 s后， 立即進(jìn)行旋涂. 其中氧等離子體轟擊是為了增加聚酰亞胺與襯底的粘附性， 加熱晶圓是為了提高聚酰亞胺的平流速度.

2) 旋涂聚酰亞胺， 旋涂參數(shù)為： 低速600 r/min, 5 s， 高速4 000 r/min， 30 s.

3) 將兩組晶圓分別水平放置在密閉容器中， 其中A組晶圓常溫放置， B組晶圓放置在50 ℃的鼓風(fēng)烘箱中. A組晶圓1～5#分別平流1～5 d后， B組晶圓1～5#分別平流1～5 h， 然后預(yù)固化后測試臺階差H的高度.

4) 預(yù)固化， 將晶圓放入氮?dú)夂嫦渲泻婵荆?具體參數(shù)為： 50 ℃， 1 h； 80 ℃， 3 h； 110 ℃， 3 h.

2 雙層犧牲層法

改進(jìn)后的自然平流法雖然可以極大地改善犧牲層的平整度， 但是無法徹底解決聚酰亞胺作為犧牲層臺階覆蓋率差的問題， 臺階差H仍然存在. 為了進(jìn)一步解決這一問題， 在改進(jìn)的自然平流法的基礎(chǔ)上， 又采用了雙層犧牲層的方法. 其原理就是在聚酰亞胺犧牲層下凹處再旋涂光刻膠作為另一層犧牲層， 以達(dá)到提高犧牲層平整度的目的. 具體工藝流程如圖 3 所示， 各步驟如下：

a) 準(zhǔn)備晶圓；

b) 旋涂聚酰亞胺， 平流并預(yù)固化；

c) 刻蝕開關(guān)錨點(diǎn)通孔， 固化聚酰亞胺；

d) 旋涂AZ5214光刻膠；

e) 光刻、 顯影， 保留下聚酰亞胺下凹處的AZ5214光刻膠， 作為第二層犧牲層；

f) 濺射種子層；

g) 以AZ4620光刻膠作掩模， 電鍍開關(guān)上電極；

h) 釋放犧牲層得到開關(guān).

第二層犧牲層選擇型號為AZ5214的正性光刻膠， 這是一款薄膠， 膠厚合適. 聚酰亞胺犧牲層的釋放方法為氧等離子體干法刻蝕， 氧等離子體同樣可以干法刻蝕AZ5214， 甚至刻蝕速率更快. 而且聚酰亞胺固化后性質(zhì)穩(wěn)定， 不與酸堿反應(yīng)， AZ5214顯影過程中采用的堿性顯影液也不會對聚酰亞胺造成影響. 這樣采用AZ5214作為第二層犧牲層能夠與聚酰亞胺的制備工藝兼容.

圖 3 雙層犧牲層工藝流程Fig.3 Double-layer sacrificial layer process

3 結(jié)果與討論

對自然平流法改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示， 自然平流法可有效改進(jìn)聚酰亞胺的平整度， 臺階差H的高度從2 μm降低到了1.2 μm， 減小了將近一半. 但是常溫平流達(dá)到最佳效果需要5 d， 而 50 ℃ 時(shí)達(dá)到最佳平流效果只需要4 h， 極大地提高了聚酰亞胺的流動(dòng)速度， 縮短了聚酰亞胺平流的時(shí)間.

圖 4 臺階差H與平流時(shí)間的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between step difference H and advection time

合適的溫度只能縮短聚酰亞胺的平流時(shí)間， 并不能提高平流效果， 最終兩者臺階差H的高度幾乎相同， 這是由聚酰亞胺本身的特性所決定的.

在采用雙層犧牲層法時(shí)， 上層光刻膠的膠厚必須與聚酰亞胺下凹的高度相同， 這樣才能確保犧牲層的表面平整. 而決定光刻膠膠厚的重要參數(shù)是旋涂的轉(zhuǎn)速及時(shí)間， 通過控制AZ5214的轉(zhuǎn)速和時(shí)間來控制膠厚. AZ5214轉(zhuǎn)速與膠厚的關(guān)系如圖 5 所示， 旋涂時(shí)間30 s， 轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)的膠厚為1.2 μm， 與自然平流后的聚酰亞胺的下凹高度相同.

圖 5 AZ5214轉(zhuǎn)速與膠厚的關(guān)系Fig.5 Relationship between AZ5214 speed and rubber thickness

圖 6 對比了未處理、 只用自然平流法、 自然平流法與雙犧牲層法相結(jié)合三種方法處理之后上電極處聚酰亞胺的臺階差H的臺階儀測試結(jié)果. 結(jié)果顯示， 自然平法可以有效緩解聚酰亞胺犧牲層臺階覆蓋率差的問題， 但是無法徹底消除臺階差.

圖 6 上電極處臺階差H的對比圖Fig.6 Comparison of the step difference H at the upper electrode

之后再采用雙犧牲層法， 臺階差H幾乎已經(jīng)消失， 原本下凹處甚至變得有些凸起， 這是因?yàn)樾康墓饪棠z的厚度會有一些誤差， 無法真正與聚酰亞胺犧牲層下凹的深度相同.

改進(jìn)后的自然平流法與雙層犧牲層相結(jié)合的方法解決了因?yàn)榫埘啺窢奚鼘悠秸炔钏鶎?dǎo)致的開關(guān)上電極塌陷的問題， 圖 7 為兩種方法制作出的衰減器中的懸臂梁式開關(guān)上電極的對比圖. 圖 7(a) 中上電極明顯塌陷， 圖7(b)的上電極則為一個(gè)平整度良好懸臂梁. 圖 8 為犧牲層平整度良好的MEMS開關(guān)上電極懸臂梁45°角的SEM照片， 從圖中看出， 懸臂梁處于懸空狀態(tài)， 沒有塌陷變形.

圖 7 犧牲層改進(jìn)前后上電極對比圖Fig.7 Comparison of the upper electrodes before and after sacrificial layer improvement

圖 8 犧牲層平整度良好的上電極45°角的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photo of 45 ° angle of the upper electrode with good flatness of the sacrificial layer

4 結(jié) 論

本文提出了一種新的提高聚酰亞胺犧牲層平整度的方法， 首先研究了溫度對聚酰亞胺流速的影響， 確定了最佳溫度， 極大地縮短了自然平流法所需要的時(shí)間. 接著， 在自然平流法的基礎(chǔ)上又提出了雙層犧牲層的方法， 采用AZ5214光刻膠作為第二層犧牲層， 進(jìn)一步提高了犧牲層的平整度， 解決了因?yàn)闋奚鼘悠秸炔顚?dǎo)致的開關(guān)上電極變形的問題， 為MEMS開關(guān)的制作提供了技術(shù)支持.